第1部分1基礎(chǔ)知識(shí)

1、同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電力電子與運(yùn)動(dòng)控制余有靈 徐志宇同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院授課教師 授課教師余有靈志宇胡明忠，實(shí)驗(yàn)業(yè)資深工程師2/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院課程參考資料教材 王兆安，劉進(jìn)軍主編電力電子技術(shù)（第5 版），機(jī)械工業(yè)出版社，2009 .7. 阮毅、陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）,機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.主要參考書： Binmal K Bose. Modern Power Electronics and AC Dr

2、ives. 機(jī)械工業(yè)出版社,2002. Leonhard W. Control of Electrical Drives 3rd ed. Springer-Verlag，2001 陳伯時(shí)，陳敏遜編. 交流調(diào)速系統(tǒng).2版 機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 楊興瑤編. 電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理與系統(tǒng). 水利電力出版社,1995. Jai P Agrawal. 電力電子系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社，2001. 正田英介. 電力電子學(xué). 科學(xué)出版社，2001.論壇 中國電子頂級(jí)開發(fā)網(wǎng)：http:/ 中國電子網(wǎng)技術(shù)論壇：http:/ 電子工程世界論壇：http:/3/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息

3、工程學(xué)院成績?cè)u(píng)定 7次課程作業(yè)，每次大約4-8個(gè)練習(xí)題。 2個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目，要求采用Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目多個(gè)，由學(xué)生自由選擇開展創(chuàng)新類課程設(shè)計(jì)。成績計(jì)入獎(jiǎng)勵(lì)加分。 8次實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和3次計(jì)算機(jī)自主仿真實(shí)驗(yàn)。 課程考核由平時(shí)考核、期末考試和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（作為獎(jiǎng)勵(lì)加分）構(gòu)成。平時(shí)考核由課堂討論、作業(yè)、課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)成績組成，占總成績40% 期末課程考試成績占60獎(jiǎng)勵(lì)加分原則上不超過5分，總分不超過100分。4/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院第一部分 基礎(chǔ)知識(shí)電力電子與電力電子與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院

4、內(nèi)容6/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院0 0 電力電子與電力電子與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制知識(shí)結(jié)構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)7/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電電力力領(lǐng)域的領(lǐng)域的電子電子技術(shù)。技術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” ” 有有區(qū)別于區(qū)別于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電力電力” ” ，后者特指，后者特指電力網(wǎng)的電力網(wǎng)的“電力電力” ” ，前者則更一般些。，前者則更一

5、般些。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 8/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)具體地說，電力電子技術(shù)就是使用具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件電力電子器件 對(duì)對(duì)電能電能進(jìn)行進(jìn)行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。 電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)則是電

6、力電子技術(shù)的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類9/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子學(xué)電力電子學(xué) 美國學(xué)者美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力電力學(xué)學(xué)、電子學(xué)電子學(xué)和和控制理論控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。圖圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角描述電力電子學(xué)的倒三角形形10/74同濟(jì)大

7、學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。是一致的。電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中

8、，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 11/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 各種電力電子裝置廣泛各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖圖1-2 1-2 電氣工程的雙三角形描述電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在

9、我國，電力電子與電力傳子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-21-2用兩個(gè)三角形對(duì)電用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。 12/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和控制理論電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論廣泛用于電

10、力電子技術(shù)中，它使電力電控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶?，F(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。礎(chǔ)元件和重要支撐技

11、術(shù)。 13/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個(gè)電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。14/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期

12、。明期。 1904年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了電子管電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。力領(lǐng)域的先河。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代年代，水銀整流器水銀整流器廣泛用于電化學(xué)廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展

13、成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組直流發(fā)電機(jī)組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，晶體管，引發(fā)了引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。電子技術(shù)的一場革命。 15/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管時(shí)代晶閘管時(shí)代 晶閘管晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。

14、電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。的。 晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件半控型器件。對(duì)晶閘管電。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限?，F(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。16/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息

15、工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管電力雙極型晶體管（BJT）和和電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器件件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其制既可使其開通開通又可使其又可使其關(guān)斷關(guān)斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖

16、寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡稱，簡稱斬控方式斬控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復(fù)合復(fù)合型器件型器件異軍突起。它是異軍突起。它是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了復(fù)合了MOSFET和和GTO。17/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1

17、.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史把把驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、控制控制、保護(hù)電路保護(hù)電路和和電力電子器件電力電子器件集成在集成在一起，構(gòu)成一起，構(gòu)成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表了，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以技術(shù)包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)、混合集成混合集成技術(shù)技術(shù)以及以及系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的電路的工作頻率工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)技軟開關(guān)技術(shù)術(shù)

18、的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 18/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。等家用電器及其他領(lǐng)

19、域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè)一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)交直流電動(dòng)機(jī)，都是用，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了年來也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。，以達(dá)到節(jié)能的目的。 19/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-4 AB變頻器變頻器有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種

20、軟起動(dòng)裝置也是軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。淬火電源及直流電弧爐電源等場合。20/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子

21、技術(shù)。電氣機(jī)車中的電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用直流機(jī)車中采用整流裝置整流裝置，交流機(jī)車采用，交流機(jī)車采用變頻裝置變頻裝置。直流直流斬波器斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種中的各種輔助電源輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。也都離不開電力電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其動(dòng)控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)

22、高的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波器斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。21/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電直流輸電在長距離、大容量輸電時(shí)

23、有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的在長距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整整流閥流閥和受電端的和受電端的逆變閥逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）、靜止靜止無功發(fā)生器（無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量等電力電子裝置大量用于電力系

24、統(tǒng)的用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償無功補(bǔ)償或或諧波抑制諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)電能質(zhì)量控制量控制，改善供電質(zhì)量。，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。充電等都需要電力電子裝置。 22/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站中國南

25、方電網(wǎng)公司安順換流站圖圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電容器（下）23/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、。大型計(jì)算機(jī)所

26、需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場合，常常需要在大型計(jì)算機(jī)等場合，常常需要不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。24/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光

27、燈。能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。其它其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)

28、能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。25/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更時(shí)，更離不開電力電子技術(shù)。離不開電力電子技術(shù)。核聚變

29、反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，常常需科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。技術(shù)的用武之地。圖圖1-7 風(fēng)場風(fēng)場26/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定義：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定義： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)

30、控制及其相關(guān)學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科相關(guān)知識(shí)：相關(guān)知識(shí)： 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)等1.5 1.5 運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制27/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1919世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代以前以前-僅有直僅有直流電氣傳動(dòng)流電氣傳動(dòng)1919世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠籠式異步交流電機(jī)）籠式異步交流電機(jī)）-開始逐步使用交流電氣傳動(dòng)開始逐步使用交流電氣傳動(dòng)2020世紀(jì)后期世紀(jì)后期交流調(diào)速興起交流調(diào)速興起2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代起，形成直流年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局調(diào)速，交流不調(diào)速的格局1.5 1.5 運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展歷史運(yùn)動(dòng)控

31、制的發(fā)展歷史28/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院工業(yè)生產(chǎn):軋鋼 造紙 機(jī)床傳動(dòng)交通運(yùn)輸:電力機(jī)車 電動(dòng)汽車軍事:雷達(dá)天線跟蹤設(shè)備家電:CD機(jī) 自動(dòng)洗衣機(jī)1.5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用29/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工藝工藝干熄焦系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備熄焦車為大型移動(dòng)機(jī)械設(shè)備(滿載時(shí)每車均重約為120噸)，由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿軌道運(yùn)行，往返于焦?fàn)t和熄焦塔之間，接收任一指定碳化室的紅焦，并將其運(yùn)往熄焦塔熄焦。30/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院技術(shù)要求技術(shù)要求 熄焦車可在03m/

32、s速度范圍內(nèi)按工藝要求的任意速度行駛，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，及軟起動(dòng)、軟停車。 熄焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機(jī)下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動(dòng)定位停車，干熄焦一期工程要求其定位精度達(dá)到0.1m，二期工程要求其停位精度達(dá)到0.01m。 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它相關(guān)設(shè)備間的聯(lián)鎖控制和各種信息傳輸；能融入整個(gè)企業(yè)的管控一體化網(wǎng)絡(luò)。熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)31/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院難點(diǎn)難點(diǎn)n大慣性負(fù)載、調(diào)速范圍寬、非線性大慣性負(fù)載、調(diào)速范圍寬、非線性從調(diào)速系統(tǒng)的角度來分析提示從調(diào)速系統(tǒng)的角度來分析提示結(jié)論結(jié)論03m/s速度每車均重約為120噸熄

33、焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機(jī)下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動(dòng)定位停車熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)32/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院從類型上分從類型上分 直流電動(dòng)機(jī) 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)） 交流同步電動(dòng)機(jī)。從用途上分從用途上分n用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)n用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象33/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電力電子型功率放大與變換裝置電力電子型功率放大與變換裝置 半控型向全控型發(fā)展半控型向全控型發(fā)展 低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展 分立的器

34、件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置34/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院模擬控制器模擬控制器物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路線路復(fù)雜、通用性差線路復(fù)雜、通用性差控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小以微處理器為核心的數(shù)字控制器以微處理器為核心的數(shù)字控制器n 硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高n 控制規(guī)律體

35、現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便n 擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能n 串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮予以考慮運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器35/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 信號(hào)檢測信號(hào)檢測 電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào) 信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換 電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 信號(hào)濾波信號(hào)濾波運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測與處理運(yùn)動(dòng)

36、控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測與處理36同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式mmmmemdtdKDTTdtdJL忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡化運(yùn)動(dòng)方程式的簡化運(yùn)動(dòng)方程式mmemdtdLTTdtdJ運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律37/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制的根本問題是轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)動(dòng)控制的根本問題是轉(zhuǎn)矩控制要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。磁鏈控制同樣重要磁鏈控制同樣重要為了有

37、效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律38/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象的負(fù)載特性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象的負(fù)載特性39/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院內(nèi)容40/74同濟(jì)大

38、學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院自然機(jī)械特性自然機(jī)械特性 直流電機(jī)中能量（電能、機(jī)械能）轉(zhuǎn)換的方向是可逆的，可直流電機(jī)中能量（電能、機(jī)械能）轉(zhuǎn)換的方向是可逆的，可用三個(gè)方程來描述：用三個(gè)方程來描述：轉(zhuǎn)矩方程式：轉(zhuǎn)矩方程式：atIKT電勢(shì)方程式：電勢(shì)方程式：nKEe電壓平衡方程式：電壓平衡方程式：aaRIEU2.1 直流電機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：41/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在在額定電壓和額定磁通額定電壓和額定磁通下，電樞電路內(nèi)不接任下，電樞電路內(nèi)不接任何電阻時(shí)的何電阻時(shí)的n=f(T)n=f(T)2.1 直流電機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)當(dāng)U=UU=U

39、N N，=N N時(shí)，時(shí)，n=f(T)n=f(T)是一條直線。是一條直線。通常用通常用(0 (0，n n0 0) )和和(T(TN N，n nN N) )兩兩點(diǎn)來作直線點(diǎn)來作直線42/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T T、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩T TL L、及空載消耗轉(zhuǎn)矩及空載消耗轉(zhuǎn)矩T T0 0相平衡。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則相平衡。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則n n、E E、I I、T T將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。新的平衡。 例如：例如： 當(dāng)當(dāng)T TL LTT T TL L n n，當(dāng)，當(dāng)不變時(shí)不變時(shí) E

40、E（E=KE=Ke e n n） I Ia a= =（U - EU - E）/ R/ Ra a T T T= TT= TL L（新的平衡）（新的平衡）2.1 直流電機(jī)的機(jī)械特性43/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 將直流電機(jī)的電勢(shì)方程和轉(zhuǎn)矩方程代入將直流電機(jī)的電勢(shì)方程和轉(zhuǎn)矩方程代入直流電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式中，并略加整理直流電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式中，并略加整理后，可得他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為：后，可得他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為：nnTKKRKUnteae020T)(0EKUn當(dāng)當(dāng) 時(shí)的轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速 稱為稱為理想空載轉(zhuǎn)速。理想空載轉(zhuǎn)速。2.1 直流電機(jī)的機(jī)械特性44/

41、21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性是指供電電壓或磁通不是額定值、電樞電路內(nèi)接有外加電阻是指供電電壓或磁通不是額定值、電樞電路內(nèi)接有外加電阻R Radad時(shí)的機(jī)械特性；電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)的方法就是利用人時(shí)的機(jī)械特性；電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)的方法就是利用人為機(jī)械特性。為機(jī)械特性。2.1 直流電機(jī)的機(jī)械特性nnTKKRKUnteae0245/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 在電壓、頻率及繞組參數(shù)一定的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系可用曲線表示如圖所示。2.2 交流異步電機(jī)的機(jī)械特性221222111232()Rp

42、UsTRfRXXs111112222()()()()ssUEEI rEEIrR 121122IIssEjxEjx 46/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相繞組按規(guī)定方式連接，定子和轉(zhuǎn)子電路中不外接任何元件時(shí)測得的機(jī)械特性n=(T)或T=(s)曲線。 對(duì)于同一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)有正轉(zhuǎn)（曲線1）和反轉(zhuǎn)（曲線2）兩條固有機(jī)械特性。2.2 交流異步電機(jī)的機(jī)械特性同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)啟動(dòng)點(diǎn)啟動(dòng)點(diǎn)47/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性是指人為改變電

43、動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)而得到的機(jī)械特性。 改變定子電壓U1、定子頻率f1、極對(duì)數(shù)p、定子回路電阻r1和電抗x1、轉(zhuǎn)子回路電阻r2和電抗x2，都可得到不同的人為機(jī)械特性。2.2 交流異步電機(jī)的機(jī)械特性改變定子電壓改變定子電壓定子回路串入對(duì)稱電抗定子回路串入對(duì)稱電抗轉(zhuǎn)子回路串入對(duì)稱電抗轉(zhuǎn)子回路串入對(duì)稱電抗48/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院內(nèi)容49/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院3.1 3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)50/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角（位移） 依據(jù)控制結(jié)構(gòu)圖確定并進(jìn)行建模分析給

44、定控制器驅(qū)動(dòng)裝置被控對(duì)象反饋環(huán)節(jié) 已學(xué)知識(shí)自動(dòng)控制原理電機(jī)與拖動(dòng)微機(jī)原理與接口技術(shù)自動(dòng)化儀表與過程控制（本學(xué)期正在學(xué)）通信系統(tǒng)原理3.1 3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)任務(wù)任務(wù)不難！不難！51/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院3.1 3.1 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)52/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院3.1 3.1 不可逆不可逆PWMPWM變換器變換器- -直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 53/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug

45、1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug43.1 3.1 橋式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器54/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院3.1 3.1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖55/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié)電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器放大器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié)測速反饋環(huán)節(jié) nUn

46、3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各模塊建模閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各模塊建模56/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn 3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)靜特性方程閉環(huán)靜特性方程57/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉

47、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖58/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院a）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖59/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n

48、 Un Un n Ud0 Uc例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從A B3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖60/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環(huán)靜特性閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性開環(huán)機(jī)械特性Ud4Ud3Ud2Ud13.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖61/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院勵(lì)磁變化勵(lì)磁變化Id變化變化電源波動(dòng)電源波動(dòng)Kp變化變化電阻變化電阻變化檢

49、測誤差檢測誤差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)擾動(dòng)作用與影響擾動(dòng)作用與影響62/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能。 例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗擾能力抗擾能力63/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差。 例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，

50、反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)。3.2 3.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗擾能力抗擾能力64/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 調(diào)速范圍/靜差率 控制結(jié)構(gòu) 補(bǔ)償與校正 信號(hào)檢測與處理 快速性 啟動(dòng)與制動(dòng) 經(jīng)濟(jì)成本3.3 3.3 改進(jìn)改進(jìn)65/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院內(nèi)容66/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院4.1 4.1 諧波和功率因數(shù)諧波和功率因數(shù)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波諧波(harmonics)(harmo

51、nics)和和無功無功(reactive power)(reactive power)問題日益嚴(yán)重，問題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。引起了關(guān)注。無功的危害無功的危害 導(dǎo)致設(shè)備容量增加。導(dǎo)致設(shè)備容量增加。 使設(shè)備和線路的損耗增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。 線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。諧波的危害諧波的危害 降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。 影響用電設(shè)備的正常工作。影響用電設(shè)備的正常工作。 引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。 導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自

52、動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。 對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾。對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾。 67/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院諧波諧波 正弦波正弦波電壓可表示為電壓可表示為 式中式中U為電壓有效值；為電壓有效值； u為初相角；為初相角； 為角頻率，為角頻率， =2 f=2 /T；f為頻率；為頻率； T為周期。為周期。 非正弦非正弦電壓電壓u( t)分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù) 4.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ))sin(2)(utUtuutaan tbn tnnn()(cossin)01式中式中200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntua

53、n20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 368/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院4.1 4.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ)或或utacntnnn()sin()01式中，式中，cn、 n和和an、bn的關(guān)系為的關(guān)系為cabnnn22nnnarctg ab(/)acnnnsinbcnnncos基波（基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。：頻率與工頻相同的分量。 諧波諧波：頻率為基波頻率大于：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。整數(shù)倍的分量。 諧波次數(shù)諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 n次諧波電

54、流含有率以次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示）表示 HRIIInn1100(%)電流諧波總畸變率電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）分別定義為）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）為總諧波電流有效值） (%)1001IITHDhi(3-58)69/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院4.1 4.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ)功率因數(shù)功率因數(shù) 正弦電路正弦電路 有功功率就是其平均功率：有功功率就是其平均功率： 20cos)(21IUtiduP式中式中U、I分別為電壓和電流的有

55、效值，分別為電壓和電流的有效值， 為電流滯后于電壓的相位差。為電流滯后于電壓的相位差。視在功率為：視在功率為： S=UI 無功功率為：無功功率為： Q=UIsin 功率因數(shù)為：功率因數(shù)為： SP無功功率無功功率Q與有功功率與有功功率P、視在功率、視在功率S之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： 222QPS在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的，其決定的，其值為：值為： =cos 70/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院22PSQ4.1 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ)11cosPUI非正弦電路非正弦電路 有功功率為有功功率為功率因數(shù)為：功率因數(shù)為